Element estructural

Barra somesa a tracció uniaxial.

Eixemple de flexión mecànica: dalt, un element tal com una barra es troba en estat de repòs; en la figura d'avall dit element és somés a una força. L'element, en conseqüència, es dobla en el mateix sentit de la força.

Arcada de pilars, a on cada pilar és una peça prismàtica somesa a compressió composta.

Element estructural és cada una de les parts diferenciades, encara que vinculades, en que pot ser dividida una estructura a efectes del seu disseny. El disseny, càlcul i comprovació d'estos elements es fa d'acort en els postulats de la resistència de materials en l'àmbit de l'Ingenieria mecànica arquitectura, l'ingenieria civil, i l'ingenieria estructural.

Classificació dels elements estructurals

En el cas de les construccions estos tenen noms que els identifiquen clarament (encara que en el món hispanoparlante estos noms poden canviar en cada país). Bàsicament els elements estructurals poden tindre estats de tensió uniaxiales, biaxials o triaxiales segons la seua dimensionalidad i, segons cada una de les direccions considerades, poden existir tant tracció com a compressió. Dit estat pot ser uniforme en certes seccions travesseres, o variar dins de la secció.

Els elements estructurals solen classificar-se en virtut de tres criteris principals

• Dimensionalidad de l'element, segons puguen ser modelizados com a elements (pilars, voltons, arcs, ...), bidimensionales (plaques, làmines, membranes) o tridimensionals.
• Forma geomètrica i/o posició, la forma geomètrica concreta afecta als detalls del model estructural usat; aixina si la peça és recta com un voltó o curva com un arc, el model deu incorporar estes diferències, també la posició o orientació afecta al tipo d'estat tensional que tinga l'element.
• Estat tensional i/o solicitaciones predominants, els tipos d'esforços predominants poden ser tracció (membranes i cables), compressió (pilars), flexión (voltons, arcs, plaques, làmines) o torsió (eixos de transmissió, etc.).

	Unidimensionals		Bidimensionales
Solicitaciones predominants	rectes	curvos	plans	curvos
Flexión	voltó recte, llindar, arquitrau	voltó balcó, arc	placa, llosa, forjat, mur de contenció	làmina, cúpula
Tracció	cable tensat	catenària	membrana elàstica
Compressió	pilar	__	mur de càrrega	__

Elements llineals

Els elements llineals o unidimensionals o prismes mecànics, estan generalment somesos a un estat de tensió plana en esforços tensions grans en la direcció de llínea baricéntrica (que pot ser recte o curve). Geomètricament són allargats sent la dimensió segons dita llínea (altura, llum, o llongitut d'arc), molt major que les dimensions segons la secció travessera, perpendicular en cada punt a la llínea baricéntrica. Els elements llineals més comuns són segons la seua posició i forma:

• Verticals, comprimits i rectes: Columna (secció circular) o pilarés (secció poligonal), pilote (fonamentació).
• Horisontals, flexionados i rectes: voltó o arquitrau, llindar, zapata correguda per a fonamentació, correja de sustentació de coberta.

• Diagonals i rectes: Barres de arriostramiento de creus de Sant Andrés, barres diagonals d'una celosía o entramat triangulado, en este cas els esforços poden ser de flexión tracció dominant o compressió dominant.
• Flexionados i curvos, que corresponen a arcs continus quan els esforços es donen segons el pla de curvatura o a voltons balcó quan els esforços són perpendiculars al pla de curvatura.

Elements bidimensionales

Els elements plans poden aproximar-se per una superfície i tenen una gruixa chicoteta en relació en les dimensions generals de l'element. És dir, en estos elements una dimensió, cridada gruixa, és molt menor que les atres dos. Poden dividir-se segons la forma que tinguen en elements:

• Horisontals, flexionados i plans, com els forjats, les lloses de fonamentació, i les plateas o marquesines.
• Verticals, flexionados i plans, com els murs de contenció.
• Verticals, comprimits i plans, com els murs de càrrega, parets o tabics.
• Flexionados i curvos, com lo són les làmines de revolució, com els depòsits cilíndrics per a líquits.
• Traccionados i curvos són les membranes elàstiques com les parets de depòsits en decorreguts a pressió.

Encara que poden obtindre's uns atres quan es combinen.

Elements tridimensionals

Els elements tridimensionals o volumètrics són elements que en general presenten estats de tensió biaxial o triaxial, en els que no predomina una direcció dimensió sobre les atres. Ademés estos elements solen presentar tracció i compressió simultàneament segons diferents direccions, per lo que el seu estat tensional és complicat. Entre este tipo d'elements estan:

Les ménsulas de sustentació Les zapatas que presenten compressió segons direccions prop de la vertical al pilar que sustenten i tracció en direccions prop de l'horisontal.

Disseny d'elements estructurals

Els elements estructurals són dissenyats, és dir, calculats o dimensionados per a complir una série de requisits, que freqüentment inclouen:

• Criteri de resistència, consistent en comprovar que les tensions màximes no superen certes tensions admissibles per al material del que està fet l'element.
• Criteri de rigidea, consistent en que baix l'acció de les forces aplicades les deformacions o desplaçaments màxim obtinguts no superen certs llímits admissibles.
• Criteris d'estabilitat, consistent en comprovar que desviacions de les forces reals sobre les càrregues previstes no ocasionen efectes autoamplificados que puguen produir pèrdua d'equilibri mecànic o inestabilitat elàstica.
• Criteris de funcionalitat, que consistix en un conjunt de condicions auxiliars relacionades en els requisits i solicitaciones que poden aparéixer durant la vida útil o us de l'element estructural.

Resistència

Per a comprovar l'adequada resistència d'un element estructural, és necessari calcular la tensió (força per unitat d'àrea) que es dona en un element estructural baix l'acció de les forces solicitants. Donada una determinada combinació o distribució de forces, el valor de les tensions és proporcional al valor de la força actuante i del tipo d'element estructural.

En els elements llineals el vector tensió en cada punt es pot expressar en funció de les components intrínseques de tensió i els vectores tangente, normal i binormal:

I les dos tensions principals que caracterisen l'estat de tensió d'una voltó recte vénen daus per:

I a partir d'ahí poden calcular-se els paràmetros de la teories de fallo adequada segons el material que forma l'element estructural.

En elements bidimensionales que es poden modelizar aproximadament per la hipòtesis cinemàtica de Love-Kirchhoff, que juga un paper anàlec a la teoria de Navier-Bernouilli per a voltons, els vectores de tensions segons plans perpendiculars a les llínees de curvatura vénen dau en térmens dels vectores tangente a les llínees de curvatura i el vector normal a a l'element bidimensional per mig de:

Rigidea

La rigidea d'un element estructural és un tensor que vincula el tensor de les forces aplicades en les coordenadas de les deformacions o desplaçaments unitaris. En un element estructural existix un conjunt de paràmetros de rigidea que relaciona les forces que es produïxen en aplicar un desplaçament unitari en particular. Les coordenades de desplaçament necessàries i suficients per a determinar tota la configuració deformada d'un element es diuen graus de llibertat.

En un material de comportament elàstic les forces es correlacionan en les deformacions per mig d'equacions de llínees rectes que passen per l'orige cartesiano que les seues pendents són els cridats mòduls d'elasticitat. El concepte de rigidea més simple és el de rigidea axial que va quedar formulat en la llei de Hooke.

La pendent que correlaciona l'esforç axial en la deformació unitària axial es denomina mòdul de Young. En un material isotrópico la pendent que correlaciona l'esforç axial en la deformació unitària lateral es denomina coeficient de Poisson.

El número mínim de coordenades de desplaçament que es necessita per a descriure la configuració deformada d'un cos es denomina número de graus de llibertat. L'anomenada llei de Hooke pot fer-se extensiva per a correlacionar de manera matricial la rigidea en els graus de llibertat i expressar aixina la configuració deformada de l'element o cos baix estudi.

El concepte de rigidea pot fer-se extensiu als estudis d'estabilitat en que s'indaga la rigidea "detrimental" que oferix la geometria de l'element.

Inestabilitat elàstica

Artícul principal → inestabilitat elàstica.

L'inestabilitat elàstica és un fenomen de no linealidad que afecta a elements estructurals raonablement esvelts, quan es troben somesos a esforços de compressió combinats en flexión o torsió.

Estats llímit

El método dels estats llímits és un método usat en diverses instruccions i normes de càlcul (Eurocódigos, CTE, EHE, etc) consistents en considerar un conjunt de solicitaciones o situacions potencialment riesgosas i comprovar que l'efecte de les forces i solicitaciones actuantes sobre l'element estructural no excedixen de les respostes màximes assumibles per part de l'element. Alguns dels Estats Llímits típics són: Estats Llímit Últims (ELU)

• • ELU d'agotament per solicitación normal (flexión, tracció, compressió)
  • ELU d'agotament per solicitación tangente (cortadura, torsió).
  • ELU d'inestabilitat elàstica (Pandeo, etc.)
  • ELU d'equilibri.

Estats Llímit de Servici (ELS)

• • ELS de deformació excessiva. (deformació, desplaçament)
  • ELS de vibració excessiva. (vibracions)
  • ELS de durabilitat (oxidació, fisuración, etc.)